Die Schaufel muss so konstruiert sein, dass sie bevorzugt in die richtige Richtung zeigt.In dem Beispiel, das Sie aufgenommen haben, wird dies durch die Flagge auf der Rückseite implementiert, die einen breiteren Querschnitt als die Pfeilspitze bietet, und auch durch den Hahn, der leicht zur hinteren Hälfte des Pfeils steht.

Sie haben Recht, wenn die Schaufel perfekt gegen den Wind ausgerichtet ist, bleibt sie möglicherweise eine Weile dort.Diese Lösung ist jedoch eine instabile Gleichgewichtslösung.Wenn sich der Wind auch nur geringfügig ändert, vorausgesetzt, die Schaufel ist gut konstruiert, sollte sie aus den oben genannten Gründen in die richtige Richtung rasten.

Wenn der Wind perfekt parallel zur Längsachse der Windfahne weht, wirkt keine Rotationskraft auf die Windfahne. Wenn die Windrichtung nicht parallel zur Längsachse der Windfahne ist, übt sie eine Drehkraft auf die Schaufel aus, bis die Windfahne parallel zur Windrichtung ist.

Die Kraft des Windes auf einen Teil der Windfahne hängt von ihrem (Oberflächen-) X (seinem Abstand vom Drehpunkt / der Drehachse) ab. Jeder Bereich der Windfahne, der sich genau auf dem Drehpunkt befindet, führt zu keiner Drehung.

Bei der Gestaltung Ihrer Windfahne sollte daher der Teil, von dem Sie weg von der Richtung zeigen möchten, aus der der Wind weht, das größte Produkt aus (Oberfläche) X (Abstand vom Drehpunkt) haben.

In dem mit Ihrer Frage geposteten Bild sind der Hahn und die Pfeilspitze an ihren Positionen und Größen lediglich dekorativ. Eine Windfahne mit nur einem Schwanz ähnlicher Form wie in Ihrem Bild, der am Drehpunkt befestigt ist, funktioniert einwandfrei. Benutzer müssen verstehen, dass es in die Richtung zeigt, in die der Wind geht, und nicht in die Richtung, aus der er kommt. Daraus folgt auch, dass wenn die Pfeilspitze groß genug und weit genug vom Drehpunkt entfernt wäre, sie von der Richtung weg zeigen würde, aus der der Wind kommt.

Es ist zwar möglich, dies mit dem geringsten Energieverbrauch zu analysieren, aber nicht sehr einfach. Das liegt daran, dass nicht die Energie der Wetterfahne minimiert wird, sondern die des Windes. Der Wind wirkt auf die Wetterfahne, die dann Reibung verursacht und die Energie in Wärme umwandelt.

Angenommen, die Wetterfahne beginnt senkrecht zum Wind und dreht sich. Eine Seite wird dem Wind entgegenkommen und daher am Wind arbeiten. Die andere Seite wird in die gleiche Richtung gehen wie der Wind, und der Wind wird daran arbeiten. Die Arbeit ist Kraft mal Distanz, und die Distanz, die ein rotierendes Objekt zurücklegt, ist proportional zum Radius. Der Wind führt also ein Netz auf der Schaufel aus, wenn die Seite, die sich in die gleiche Richtung wie der Wind bewegt, einen größeren Masse * -Radius hat (dh Moment) der Trägheit) als die andere Seite. Wenn die Energie des Windes minimiert wird, bewegt sich die Seite mit dem größeren Trägheitsmoment in Windrichtung. Dies bedeutet, dass es sich in Richtung der Seite bewegt, auf der der Wind weht. Sobald es die Seite erreicht, die der Wind weht, führt jede Störung von dieser Seite weg zu einem Drehmoment zurück.

Übrigens wechseln Systeme nicht immer zur Konfiguration mit der niedrigsten Energie. Sie neigen vielmehr dazu, sich in die Richtung zu bewegen, in die die Energie abnimmt, was bedeutet, dass sie anhalten, sobald sie einen Punkt erreichen, an dem die Energie in keiner Richtung abnimmt. Wenn Sie zum Beispiel einen Ball auf einen Hügel legen, der perfekt ausbalanciert ist, bleibt er dort. Dies ist ein Gleichgewicht, da die Ableitung der Energie in Bezug auf die Position Null ist. Aber es ist ein instabiles Gleichgewicht, weil die zweite Ableitung negativ ist.

Die in die entgegengesetzte Richtung weisende Wetterfahne ist ebenfalls ein instabiles Gleichgewicht. Die Kräfte sind gleich, aber jede Störung führt zu einer Verstärkung der Störung, bis die Wetterfahne in die "richtige" Richtung zeigt.

Wenn wir solche aerodynamischen Kräfte modellieren, ist eines der sehr nützlichen Werkzeuge ein "Druckzentrum". Der Druckmittelpunkt ist ein Punkt, an dem Sie so tun können, als ob alle aller aerodynamischen Kräfte auf diesen Punkt ausgeübt werden, um das richtige Verhalten zu erzielen. Es kann sich bewegen, wenn sich der Anstellwinkel (AoA) ändert, dh der Winkel zwischen der Schaufel und dem Wind. Sie können ihn jedoch an jeder Position analysieren, als ob sich alle Kräfte auf einen einzelnen Punkt befinden.

Beachten Sie, dass das Heck der Schaufel im Vergleich zum Dreieck ein viel größeres Quadrat hat. Es hat eine größere Oberfläche. Im Allgemeinen bedeutet dies, dass der Druckmittelpunkt näher am Schwanz liegt.

Überlegen Sie, was passiert, wenn sich die Schaufel bewegt. Wenn die Schaufel ihren Kopf links vom Wind zeigt, wird der Schwanz nach rechts geworfen. Dies bedeutet, dass der Schwanz jetzt ein Quadrat ist, das nicht perfekt zum Wind passt. Somit drückt der Luftstrom den Schwanz ein wenig nach links und "versucht" ihn gerade zu machen. Wir können es so behandeln, als ob diese Kraft vom Druckmittelpunkt ausgeht und den Druckmittelpunkt nach links drückt. Da sich das Druckzentrum hinter dem Drehzentrum der Schaufel befindet, wird die gesamte Schaufel gerader gedreht.

Wenn sich das Druckzentrum hinter dem Rotationszentrum befindet, nennen wir dies eine stabile Konfiguration. In Flugzeugen ist der Drehpunkt der Schwerpunkt, daher wird die Stabilität normalerweise als "Druckmittelpunkt hinter dem Massenschwerpunkt" bezeichnet. In unserem Fall sind wir auf dem Dach verankert und drehen uns stattdessen darum.

Was passiert also, wenn die Schaufel nach hinten zeigt? Wenn die Schaufel nach hinten zeigt und nach links tritt, ist der Druck auf das Heck (das gegen den Wind gerichtet ist) nach links. Da sich das Druckzentrum jetzt vor dem Drehzentrum befindet, schwingt die Schaufel weiter, bis die Schaufel in die richtige Richtung zeigt. Die Wetterfahne ist instabil, wenn sie rückwärts "fliegt".

Sie können die von Ihnen beschriebene Situation ermitteln, in der die Schaufel in die falsche Richtung zeigt. Angenommen, der Wind kommt aus dem Norden und lässt dann nach. Die Wetterfahne zeigt also nach Norden. Wenn sich der Wind genau von Süden verschiebt und aufnimmt, sind die Kräfte von Seite zu Seite Null. Wenn es sich jedoch für einen kurzen Moment nur ein wenig vom Süden wegbewegt (und die Winde nie perfekt sind), wird die Wetterfahne ein wenig gedreht. Selbst wenn der Wind wieder perfekt aus dem Süden kommt, ist die Wetterfahne nicht mehr direkt nach Norden gerichtet. Die Instabilität führt dazu, dass die Schaufel herumschwingt, sodass der metastabile Punkt von Süden nicht mehr vorhanden ist.

In der Praxis sind die Peilungen an der Schaufel nicht perfekt, daher müssen Sie einen Wind bekommen, der ziemlich weit vom Süden entfernt ist, bevor Sie die Schaufel tatsächlich bewegen. Winde sind aber auch entschieden nicht glatt. Sie haben kleine Böen, die die Schaufel aus diesem metastabilen Punkt herausfahren und dann in die richtige Richtung zeigen.

Die Windfahne zeigt immer in die Richtung, aus der der Wind weht.

I.E., wenn Wind von Ost nach West weht, dann zeigt der Pfeil der Windfahne nach 'Ost'.

Das spitze Ende des Pfeils bietet den geringsten Widerstand gegen Wind. Daher erreicht der Pfeil den Gleichgewichtszustand, indem er sich gegen den Wind richtet (Richtung, aus der der Wind weht).